离心风机基础与整机全速现场动平衡技术深度解析

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：离心风机、振动、动平衡、现场动平衡、转子、不平衡量、影响系数法

引言

离心风机作为工业领域的“肺脏”，广泛应用于通风、除尘、冷却、物料输送等关键工艺环节。其运行稳定性直接关系到生产系统的安全、效率与能耗。在风机的诸多故障中，转子不平衡引发的振动问题占比最高，可达60%以上。传统的离线平衡方法虽能解决部分问题，但对于风机与电机联轴器对中、叶轮自身状态、轴承座刚度等构成的整个转子系统，其平衡精度往往不足。因此，“整机全速现场动平衡”技术应运而生，成为保障风机长周期稳定运行的核心技术手段。本文将从离心风机基础知识入手，深入剖析这一先进平衡技术的原理、流程与价值。

第一章 离心风机基础知识概述

1.1 工作原理与基本结构

离心风机的工作原理基于牛顿第二定律和惯性离心力。当电机驱动风机叶轮高速旋转时，叶片间的气体在叶轮的推动下随之旋转，并在离心力的作用下被甩向叶轮外缘，汇入蜗壳形机壳。此过程使气体的静压能和动能均得到提高。与此同时，叶轮中心部位由于气体被甩出而形成负压区，外部气体在大气压作用下被源源不断地吸入，从而形成连续的气体输送。

其主要结构包括：

进风口： 保证气体能均匀地充满叶轮进口，减少流动损失。 叶轮： 风机的“心脏”，由前盘、后盘、叶片及轮毂组成。其结构形式（前向、后向、径向）、叶片数量和出口角度直接影响风机的压力、流量和效率。 机壳： 多为蜗壳形，收集从叶轮中甩出的气体，并将部分动压转换为静压。 主轴： 传递扭矩，支撑叶轮旋转。 轴承座： 安装轴承，支撑转子系统。 支承架： 连接基础，支撑整个风机机体。 联轴器： 连接风机主轴与电机轴，传递动力。

1.2 核心性能参数

风量（Q）： 单位时间内风机输送的气体体积，单位为立方米每秒（m³/s）或立方米每小时（m³/h）。 风压（P）： 气体在风机内压力的升高值，分为全压、静压和动压，单位为帕斯卡（Pa）或千帕（kPa）。
全压 = 静压 + 动压
功率（N）：
有效功率（Ne）： 单位时间内气体从风机获得的能量。计算公式为：
有效功率（Ne） = 风量（Q） × 全压（P） / 1000 （单位：千瓦，kW） 轴功率（Nz）： 单位时间内由电机输入风机轴的功率。计算公式为：
轴功率（Nz） = 有效功率（Ne） / 风机效率（η）
效率（η）： 风机有效功率与轴功率之比，是衡量风机性能优劣的关键指标。计算公式为：
风机效率（η） = 有效功率（Ne） / 轴功率（Nz） × 100% 转速（n）： 风机叶轮每分钟的旋转次数，单位为转每分钟（r/min）。

1.3 振动与不平衡的危害

振动是评价风机运行状态的首要指标。过大的振动会带来一系列严重后果：

机械损伤： 导致轴承过热磨损、轴弯曲或断裂、地脚螺栓松动、机件疲劳损坏。 性能下降： 振动改变了转子与静子间的有效间隙，可能导致内效率下降。 噪音污染： 剧烈振动是主要噪音源之一。 安全事故： 严重时可能导致转子飞车、部件脱落等恶性事故。

而转子不平衡是引发风机强迫振动的最主要原因。不平衡是指风机转子（主要是叶轮）的质量中心与旋转中心不重合，从而在旋转时产生离心力。该离心力F的大小与不平衡质量m、质心与旋转中心的距离r（偏心距） 及旋转角速度ω的平方成正比，其计算公式为：
离心力（F） = 质量（m） × 偏心距（r） × 角速度（ω）的平方
其中，角速度（ω）等于 2 × π × 转速（n） / 60。

由此可见，离心力与转速的平方成正比。在高速风机中，即使微小的不平衡量也会产生巨大的离心力，激起强烈振动。因此，对转子进行精确平衡至关重要。

第二章 整机全速现场动平衡技术解析

2.1 与传统平衡方法的对比

离线平衡（动平衡机平衡）： 在专用的动平衡机上对转子单独进行平衡。此法精度高，但忽略了风机整体装配后（如联轴器、电机转子等）作为一个整体转子系统的不平衡状态，以及轴承座刚度、基础刚度等支撑因素的影响。平衡好的转子装机后可能仍需现场调整。 在线静态平衡： 风机在停机状态下，通过试重法寻找平衡点。此法粗糙，仅适用于低速风机，无法解决动不平衡问题。 整机全速现场动平衡： 在风机安装现场，在其实际工作转速、实际工况（如温度、负载）下，对整个风机-电机转子系统进行平衡。它能够补偿“整个系统”的最终不平衡状态，是最高效、最精确的解决方案。

2.2 技术原理与核心—影响系数法

现场动平衡普遍采用“影响系数法”，其核心思想是：通过试重，计算出系统在特定测点上，单位不平衡量所引起的振动响应变化量（即影响系数），从而精确计算出所需配重的大小和相位。

基本公式描述：

初始振动测量： 启动风机至工作转速，使用振动分析仪在轴承座等关键测点（通常选择垂直和水平方向）测量初始振动矢量。记为 初始振动向量 A₀（其包含振幅和相位信息）。 试重运行： 在转子的已知角度位置（相位）添加一个已知质量 试重质量 M_t，再次启动风机至相同转速，测量新的振动矢量。记为 试重后振动向量 A₁。 计算振动变化向量： 试重引起的振动变化量为 变化向量 ΔA = A₁ - A₀。 计算影响系数（K）： 影响系数表示单位试重所引起的振动变化量。其计算公式为：
影响系数向量 K = 变化向量 ΔA / 试重质量 M_t
（这是一个复数运算，包含了幅值和相位关系） 计算校正质量（Mc）： 我们的目标是要添加一个校正质量 Mc，使其产生的振动效应正好抵消初始振动 A₀。即：
校正质量 Mc 产生的效应 + 初始振动 A₀ = 0
因为 Mc 产生的效应 = 影响系数 K × 校正质量 Mc
所以 K × Mc + A₀ = 0
推导出：
所需校正质量向量 Mc = - (初始振动向量 A₀) / 影响系数向量 K
通过这个向量运算，即可解算出所需配重的精确质量大小和应安装的相位角度（与试重位置相关）。 验证： 加装计算出的配重后，再次启机测量验证。若振动值降至合格标准（如IS 10816或GB标准规定的范围）以内，则平衡完成。

2.3 操作流程概要

安全准备： 办理工作票，彻底停机、断电、挂牌、上锁，确保安全。 设备检查： 确认基础、地脚、连接件无松动，轴承、齿轮等部件状态良好。排除非不平衡引起的振动。 仪器安装： 在风机轴承座上安装振动传感器（速度或加速度传感器），在转子暴露端粘贴反光贴纸，安装光电相位传感器。 初始测振： 启动风机至额定转速，测量并记录各测点的初始振动幅值和相位。 试重计算与配重： 选择平衡面（通常单平面或双平面），进行试重实验，依据上述公式计算得出校正质量与相位。 安装配重： 在计算出的相位点，以焊接、铆接或加装平衡块的方式安装精确质量的配重。 最终验证： 再次启机测量，评估平衡效果。若未达标，可将剩余不平衡量作为新的初始振动，进行下一轮精细调整。 报告出具： 记录所有数据、过程及最终振动值，出具动平衡报告。

第三章 现场动平衡的优势与注意事项

3.1 显著优势

精度高效果佳： 基于整个转子系统，平衡后振动显著降低，效果持久。 效率高成本低： 无需拆卸、运输转子，节省大量停机时间和吊装、运输费用。 综合诊断： 在平衡过程中，可同步监测振动频谱，有助于发现对中不良、轴承故障、松动等其他潜在问题。 灵活性好： 可根据风机实际工况（如温度、介质变化）进行平衡，适应性更强。

3.2 注意事项

安全第一： 必须严格遵守高空作业和转动设备的安全规程。 排除非不平衡因素： 平衡前必须确认振动确由不平衡引起。基础松动、轴承损坏、对中不良、电气问题等都会导致振动，需先行排除。 仪器操作专业性： 操作人员需熟悉仪器使用和矢量分析概念，正确识别相位。 配重安装可靠： 确保配重块安装牢固，防止在高速旋转中飞出，造成事故。 遵循标准： 平衡精度最终应参照国际或国家认可的振动标准进行验收。

结语

整机全速现场动平衡技术，是现代设备预知性维修和精益化管理的重要组成部分。对于风机技术人员而言，掌握这项技术，意味着能够快速、精准地解决风机最核心的振动问题，从而有效延长设备寿命、降低维护成本、保障生产安全与能效。它不仅仅是一个“配重”的过程，更是一个基于系统思维和数据驱动的精密诊断与校正过程，是风机技术领域一项极具价值的实践技能。

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